浅述真正射影像制作的关键技术
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摘要: 本文简单介绍真正射影像的出现和发展现状，并对真正射影像制作中的关键技术做简单扼要的阐述。
关键词:真正射影像；TDOM；DSM；遮挡检测；阴影分析；像素工厂
1引 言
测绘是一门应用性很强的学科,需求牵引是测绘科学发展的根本。测绘4D 产品无疑是国家测绘的基础,产品的多样化是更是社会发展的需要。在2006年出版的《中国测绘学科发展蓝皮书》中提到一种“真正射影像”的概念，书中认为，真正射影像在城市空间信息领域中应用前景非常广阔。真正射影像这种全新的测绘产品开始引起普遍的关注。
本文就真正射影像制作中的关键技术做简单阐述，希望能在今后的测绘生产中产生积极的影响。
真正射影像图概念
要阐述真正射影像图概念，先要从传统正射影像图讲起，然后通过比较两者的区别来理解真正射影像图概念和特点。
2.1 概念
数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM）是利用数字高程模型（DEM）对经扫描处理的数字化航空像片，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像数据集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像，具有精度高、信息丰富、直观真实等特点。
数字真正射影像图（True Digital Orthophoto Map,TDOM）是利用数字表面模型（DSM），通过数字微分纠正技术，改正原始影像的几何变形，对整个测区进行影像重采样后，使影像视角被纠正为垂直视角而形成的影像图。
2.2 比较
TDOM对影像重采样后的影像视角都被纠正为垂直视角，与传统的正射影像相比，在大比例尺影像图中，避免了高大建筑的倾斜对其它地物的遮挡，在拼接地区能够实现平滑自然的过渡。
单从纠正方式和建筑物效果来比较，传统DOM有如下特点：
a、通过数字高程模型来纠正 ；
b、会产生倾斜的建筑物；
c、会产生一些掩蔽的区域。
而TDOM则是：
a、通过数字表面模型来纠正；
b、完全垂直的建筑物（屋顶能够正确定位）；
c、无掩蔽的区域。
传统正射影像 真正射影像
由以上比较可以看出，真正射影像（TDOM），是所有物体的倾斜均被纠正的一种镶嵌影像。影像上每点都是完全垂直视角，可直接用于数字线划图（DLG）的制作和修测，而传统DOM这在这方面则不能完全实现。
3TDOM制作关键技术
3.1 纠正数据模型
无论是传统DOM和TDOM的制作和生成都离不开基础纠正数据模型，以下对纠正数据模型中的关键技术进行阐释。
3.1.1 数字地形模型（DTM）
数字地形模型（Digital Terrain Model，DTM）是利用一个任意坐标系中大量选择的已知X、Y、Z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。
3.1.2 数字高程模型（DEM）
数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行数据内插而形成的。DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，也可与DOM或其它专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用，同时它本身还是制作DOM的基础数据。
3.1.3 数字表面模型（DSM）
数字表面模型（Digital Surface Model，DSM）是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度信息的地面高程模型。DSM描述地表最上层的高程信息，包含了丰富的地物形态信息，是地表地物识别、分类和三维重建的信息数据基础，也是制作TDOM的关键技术和重要基础数据模型。
DSM和DEM相比，后者DEM只包含地形的高程信息，并不包含其它地表信息，而DSM是在DEM的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程。DSM能最真实地表达地面起伏情况，在城乡规划、工程设计、土地管理、房地产开发等领域有着广泛的应用前景，可为国土资源管理、城乡规划、基地设施和工程建设提供科学的技术依据，也是实现数字国土规划、建设“数字城市”的基础数据。
3.1.4 机载激光雷达LiDAR
机载激光雷达（Light Detection And Ranging，LiDAR）是一个集现代三种尖端技术：激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)于一身的空间测量系统。通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点三维坐标，空间与时间分辨率高、动态探测范围大、能够部分穿越树林遮挡、直接获取真实地表的高精度三维信息，是快速获取高精度地表地形信息的全新手段。
LiDAR系统应用多光束返回采集高程，数据密度可达到常规摄影测量的三倍，大大提高了正射影像纠正精度。因此，利用LiDAR生成的DSM数据对正射影像进行纠正也是TDOM制作的关键技术环节。
3.2大比例尺TDOM关键技术
大比例尺传统DOM中，建筑物在正射影像中明显偏离其真正的位置，偏离方向以及程度视摄影中心相对于地物目标的方位而定，有时建筑物会向街道方向倾斜，有时会遮挡其他地物目标，从而影响了正射影像对目标的判读。因此在真正射影像（TDOM）的生成中包括很多关键技术的研究，如遮挡区域的检测与填充、阴影区域的分析与补偿等。
3.2.1 遮挡检测
遮挡检测是真正射影像生成的关键技术，是计算机视觉和摄影测量领域一项具有挑战性的任务。很多方法可以用来检测遮挡区域，在计算机视觉领域，检测遮挡的主要目的是试图发现三维目标的结构，通过序列立体影像跟踪或预测它们的行为。在摄影测量领域，目标的三维模型可作为先验信息来确定和检测遮挡区域。
对建筑物目标本身出现的遮挡检测问题，可以分两种情况：
a、由于建筑物竖直墙体不会出现在TDOM当中，因此墙体的遮蔽检测不用进行；
b、建筑物屋顶和地面被遮挡时，可通过其航向或旁向的相邻影像的相关信息进行补偿。
以多边形为单元逆投影建筑物到像方，反演出成像时的建筑物到地面、建筑物之间、多边形之间的遮蔽关系，这就是有的学者提出的“多边形反演成像遮蔽检测方法”。还有一种比较先进的基于数字建筑模型（Digital Building Model，DBM）的遮挡检测方法。这种方法是以z-buffer算法为基础的。
3.2.2 阴影分析
在TDOM生成中，阴影分析检测是另一个关键问题。在传统正射纠正模型中没有考虑建筑物的阴影问题，而阴影中隐藏了很多影像信息。为了生成高质量的TDOM，对阴影区域的自动检测值得深入研究。
目前，已经有很多阴影分析方法用来检测遥感影像阴影，并取得一定效果。如基于影像灰度直方图的双峰法检测影像阴影，基于同态系统消除阴影的技术等，对于高分辨率的卫星遥感影像，有学者提出通过共生矩阵和相应的纹理指数来自动提取阴影。
TDOM发展现状与前景
面对我国对空间信息快速膨胀的需求和源源不断的海量空间数据，空间数据处理大规模、快速、自动化处理的需求日益增长。一体化数据加工处理系统将彻底改变传统测绘数据生产的模式，极大提高测绘生产的自动化、智能化程度，使得测绘进入大范围、大规模、自动化、高精度一体化信息时代。TDOM在当前大好形势下有着更为广阔的发展前景。
4.1 数字摄影测量网格
由中国工程院院士、武汉大学教授张祖勋领衔研制的具有完全自主知识产权、国际首创的新一代航空航天数字摄影测量处理平台-数字摄影测量网格（DPGrid）产品使地形图测图速度达到目前数字摄影测量工作站处理速度的8倍以上，可以实时处理大面积高精度、多光谱遥感影像。
4.2 像素工厂
2006年初，法国的Infoterra公司发布了其新的摄影测量产品―像素工厂（Pixel Factory，PF），它是海量遥感数据自动处理系统，被称为“下一代工业化地理数据生产的解决方案”。PF是当今世界一流的遥感影像自动化处理系统,集自动化、并行处理、多种影像兼容性、远程管理等特点于一身,代表了当前遥感影像数据处理技术的发展方向,主要用于地形图测绘、城市规划、城市环境变化监测等。
PF能够批量地生产出高质量的数字表面模型（DSM）,完美的数字表面模型(DSM)能够生成完美的真正射影像图(TDOM)。PF实现了TDOM的商业化和大规模生长，并实现了针对真正射影像的一系列解决方案，例如大气纠正、物理纠正、匀色、自动拼接等。
5 结束语
我国测绘事业正处于从数字化测绘体系向信息化测绘体系推进的阶段，将形成以基础地理信息获取空间化实时化、处理自动化智能化、服务网络化社会化为特征的信息化测绘体系,而且将形成天地一体化的空间信息服务产业。如今，以“像素工厂（PF）”为代表的工业级一体化数据加工处理系统是当今世界一流的产品加工处理技术的集大成者，汇集了最新的计算机集群处理技术、分布式处理技术和智能遥感处理技术，代表了当前数据产品加工处理的最新发展方向，同时也使数字表面模型（DSM）和真正射影像（TDOM）这两个产品得以大批量、高精度的生产。利用真正射影像（TDOM）和数字表面模型（DSM）进行叠加可以很方便地生成三维城市立体模型。由于建筑物以及高大树木等已经被纠正到垂直视角，所以三维建筑等的顶部影像能够和数字地表模型完美叠加。基于TDOM和DSM的三维模型的快速建立对防震、防洪、灾害评估以及城乡规划、“数字城市”建设等都将发挥巨大的作用、呈现广阔的应用前景。
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